A Multi-method Atomistic Study of Protective Nitride Coatings: from Crystalline to Amorphous Materials

Diffusion spielt für viele Eigenschaften eines Festkörpers eine wesentliche Rolle. Sie bestimmt die Kinetik mikrostruktureller Veränderungen und die Stofftransportprozesse. Am weitesten sind Diffusionsphänomene in Metallen, Legierungen sowie metastabilen und chemisch komplexen festen Lösungen verbreitet, vor allem bei erhöhten Temperaturen. So wird beispielsweise die Kinetik von Prozessen in metastabilen Phasen wie Oxidation, Vermischung, Durchmischung, thermische Zersetzung und Phasenbildung auf die diffusionsbedingte Neuanordnung von Atomen zurückgeführt. Atomistische Simulationen ermöglichen einen noch nie dagewesenen Einblick in verschiedene Materialeigenschaften, wobei insbesondere ab initio Berechnungen sehr erfolgreich dazu beigetragen haben, das Verständnis auf ein mit experimentellen Beobachtungen vergleichbares Niveau zu heben. Die Betrachtung von Diffusionsdynamiken ist jedoch aufgrund der begrenzten erfassbaren Zeitskala der ab initio-Molekulardynamik-Simulationen eine Herausforderung. Als Alternative kann die auf der Theorie des Übergangszustands (TST) basierende Nudged-Elastic-Band-Methode (NEB) eingesetzt werden, um diese Einschränkungen zu überwinden. Mit dieser Methode kann die Migrationsenergiebarriere eines Diffusionsprozesses bei 0 K aus einer statischen Berechnung mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT), während Diffusionsgrößen bei endlicher Temperatur erhalten werden, indem der Beitrag der freien Energie von Phononen berücksichtigt wird. Allerdings ist das Modell eines amorphen Systems angesichts der Beschränkung von ab initio Methoden auf Systemgrößen von einigen hundert Atomen nicht groß genug, um reale Materialien darzustellen. Daher muss man groß angelegte atomistische Simulationen in Betracht ziehen, um die Eigenschaften genau vorherzusagen. In der vorliegenden Arbeit stellen wir die mit dem Massentransport verbundenen Phänomene in B1-Nitrid-Dünnschichten unter Verwendung der mittels NEB-Berechnungen bei 0 K ermittelten Diffusionsmigrationsbarrieren dar. Weiterhin werden diese Berechnungen bei 0 K mittels Phononenthermodynamikansätzen erweitert, um die Diffusion bei endlichen Temperaturen und Drücken quantifizieren zu können (präexponentielle Koeffizienten und Aktivierungsenergien). Darüber hinaus trainieren wir ein interatomares Potenzial mittels maschinellen Lernens (MLIP) zur Anwendung in großskaligen Molekulardynamik-Simulationen, um die strukturellen und elastischen Eigenschaften von amorphen Siliziumnitriden zu untersuchen. Viele lokale chemische Umgebungen in B1-Nitrid-Mischkristallen liefern einen unterschiedlichen Wert für die Leerstellenbildungsenergie und die Migrationsenergiebarrieren, d. h. einen "Envelope". Wir verwenden die Envelope-Methode, um die Phasenbildung in ternären Nitriden vorherzusagen. Außerdem stellen wir mit Hilfe der Envelope-Methode eine Beziehung zwischen Gitterverzerrung und träger Diffusion in hochentropischen Nitriden (HEN) her.